【产通社，1月29日讯】科罗拉多大学博尔德分校（CU Boulder）与亚利桑那大学和美国桑迪亚国家实验室合作开发出一种固态单芯片电注入新型表面声波（SAW）声子激光器，有望为高频片上SAW源和无需外部射频源的微型SAW系统奠定基础。

SAW是沿材料表层传播的声波，使从化学和生物传感器到芯片实验室系统中微流控的声学控制等多种技术成为可能。虽然有许多方法可以产生SAW，但大多数方法都需要两块不同的芯片和电源来产生声波。此外，现有用于制造SAW的设备会降低性能，且在高频下工作有限。在体积、重量和功率需求有限的系统中，它们的用途有限。而新型声子激光器仅使用一颗芯片，仅配合电池时，有潜力产生比传统器件更高的电声。

声子激光器的工作原理类似标准二极管激光器，只是它产生的是振动而非光束。二极管激光器通过在半导体芯片表面的两个微观镜面之间反射光束来工作。随着光线来回反射，光束变得更强。

“二极管激光器是大多数光学技术的基石，因为它们只需电池或简单的电压源即可工作，而不需要像许多以往激光那样需要更多光线来产生激光，”Matt Eichenfield教授说。“我们想做一种类似激光的激光器。”

在阈值偏置36V以下，SAW声子激光器表现得像谐振放大器。超过该阈值时，它表现出自有的相干振荡、线宽变窄以及高输出功率。

该器件由一个铌酸锂（LN）SAW谐振腔组成，内部采用直流电注入的宽带半导体增益介质，占位面积小于0.15平方毫米。研究人员在硅（Si）晶圆上叠加了一层薄薄的LN，并加了一层薄薄的铟镓砷化物（InGaAs）。叠层结构允许LN表面的振动直接与InGaAs中的电子相互作用。

由于LN是一种压电材料，振动时会产生振荡电场。相应地，当器件中存在振荡电场时，会产生振动。器件的InGaAs层在受到弱电场冲击时可以加速电子到非常高速。用电流泵送器件的InGaAs层，使LN层产生波。波向前传播，撞击反射器，然后向后传播，类似于传统激光中光在两面镜子间来回反射。

声波每次向前移动都会变强，每次向后移动时会变弱。经过多次反复调整，它变得相当大。研究员Alexander Wendt说：“它倒退时几乎会损失99%的功率，所以我们设计它在前进时获得相当大的增益以克服这个差距。”

该装置呈条状，长度约为半毫米。在演示中，SAW声子激光器在1GHz下产生了高达-6.1dBm的连续片上声学输出功率。通过详细建模，研究人员发现了提升器件性能的路径，包括mHz线宽、高功耗效率，以及550平方微米（10GHz每μm2）以下的覆盖面积。这比传统SAW器件频率更高，传统SAW器件通常最高频率约为4GHz。

SAW使射频滤波器、光声器件和量子声学器件成为可能，此外还支持一系列智能设备。

Eichenfield说：“SAW器件对世界上许多最重要的技术至关重要。”“它们出现在所有现代手机、钥匙扣、车库门遥控器、大多数GPS接收器、许多雷达系统等中。”

他认为，SAW声子激光器将使更小、性能更优、更节能的无线设备成为可能。例如，现有手机中的不同芯片每次用手机发送短信、打电话或上网时，都会反复将无线电波转换为SAW信号，再转换回来。Eichenfield团队旨在简化这一流程，设计能够仅用SAW单凭一己之力处理所有这些任务的芯片。

Eichenfield说，“声子激光器是需要击倒的最后一块多米诺骨牌，我们现在真的可以用同样的技术把所有无线电所需的部件都组装在一块芯片上了。”

剪报来源：
https://www.photonics.com/Articles/SAW-Phonon-Laser-Could-Make-Wireless-Devices/p5/a71871
论文链接：
https://www.doi.org/10.1038/s41586-025-09950-8